כיצד ייצרו המתיישבים הראשונים של מאדים בתי גידול עם אדמה

כשמדובר בבני אדם המבקרים במאדים וזקוקים למקום לשהות בו, לנאס"א יש תוכנית שאפתנית: להשתמש בחומרי גלם שנמצאו על הפלנטה כדי להדפיס בתלת מימד בית גידול באתרו. זה היה הנושא של אתגר 3D-Printed Habitat שהחלה הסוכנות לפני כמה שנים, שהזמין צוותים של מעצבים להציע את הפתרון הטוב ביותר שלהם לבעיה.

אז איך בדיוק נהפוך חבורה של אבק מאדים לבית נוח? כדי לברר, דיברנו עם שני מומחים שהשתתפו בתחרות ההיא - האדריכל טריי ליין מקבוצת זופרוס הזוכה ומהנדס מתיו טרומנר מצוות אוניברסיטת נורת'ווסטרן - על איך לתכנן ולבנות בית גידול על אחר כוכב לכת.

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים, סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים.

שימוש במשאבים מקומיים

כאשר מתכננים א בית גידול למאדים, המגבלה הגדולה ביותר היא כמה חומר אתה יכול להביא מכדור הארץ. לכל גרם מסה נוסף שמוטען על רקטה יש עלות משמעותית במונחים של דלק, כך שפשוט לא ניתן להביא איתו חומרי בנייה בשווי בניין. זו הסיבה שיצטרכו לבנות את בתי הגידול הראשונים באמצעות חומרי גלם הזמינים במקום על מאדים.

זו בהחלט דרך אחרת לגשת לבנייה, כפי שאמר לנו טריי ליין, אדריכל מקבוצת זופרוס זוכה התחרות.

במחקר המוקדם שלו, ליין לא מצא הרבה בדרך לפרויקטים של הדפסת תלת מימד בקנה מידה גדול באמצעות חומרים מקומיים, אז הוא פנה למקור בלתי צפוי להשראה: חרקים. "התחלנו להסתכל על צרעות ועכבישים וחיפושיות", אמר. "במשך מאות מיליוני שנים, הם עשו בעצם הדפסה תלת מימדית כדי ליצור בתי גידול." חרקים יוצאים לסביבה, מוצאים משאבים, לעבד אותם לחומר שמיש, ולבנות את בית הגידול המעשי ביותר כדי לענות על הצרכים שלהם - בדיוק כמו מה ליין רצה לעשות. "מצאנו, בכנות, שחרקים הם מודלים טובים יותר לבניית בית גידול מודפס בתלת-ממד, אוטונומי, מקומי לניצול משאבים מאשר בני אדם."

הצוות שלו ראה בעיני רוחו בית גידול שכלל רוברים שייצאו לסביבה ויאספו חומרים, ואז יחזירו אותם להמשך בנייה. "בהרבה מובנים, זה כמו צרעה שהולכת ולועסת מעט משאבים מקומיים והופכת את זה לעיסת נייר ובונה מזה את הקן שלה".

יש יתרונות ליישום גישה זו לבנייה, בין אם על מאדים ובין אם על כדור הארץ. "העובדה שאתה משתמש במשאבים מקומיים עושה הבדל עצום עבור משימות חלל", אמר. במקום להסתמך על שרשראות אספקה ​​ארוכות, אתה יכול להיות הרבה יותר יעיל מבחינת חומרים ואנרגיה. בנוסף, גישת ההדפסה התלת מימדית בטוחה יותר מבנייה מסורתית. "בנייה היא תעשייה מועדת לסיכון... אז אם אתה יכול לעשות היבטים מסוימים של זה באופן אוטונומי, יש לך גם יתרון בטיחותי."

זה גם יכול להיות מהיר יותר וזול יותר להדפסה בתלת-ממד, ויש מידה של חופש עיצובי שהוא מאפשר. "מנקודת מבט של אדריכל, יש מידה מסוימת של חופש שנפתחת כשאתה מדפיס תלת מימד", אמר. אתה לא צריך להסתמך על חומרים בייצור המוני כמו שניים על ארבע, שנוטים להיות שטוחים וישרים, כדי שתוכל לעצב צורות מורכבות יותר. "זה משחרר אותך ליצור עיצוב המותאם אישית לפתרון."

כיצד להדפיס בית גידול בתלת מימד

כשאתה חושב על הדפסת תלת מימד, סביר להניח שאתה חושב על מכונה שולחנית להדפסת פריטים ברוחב של כמה סנטימטרים. כשמדובר בהדפסת תלת מימד בקנה מידה תשתית, אתה צריך חומרה הרבה יותר גדולה, אבל זה דומה מבחינה רעיונית תהליך - "בכך שהיית משתמש בתוכנה דומה, היית משתמש בטכניקות תנועה דומות", כמו מתיו טרומנר, Ph. D. מועמד באוניברסיטת נורת'ווסטרן ומנהיג צוות בתי הגידול של האוניברסיטה במאדים, הסביר.

ההבדל הוא באופן הפקדת החומר. מדפסות תלת-ממד שולחניות משתמשות בשיטת השקיעה מתמזגת, "שהיא כמו מחרוזת פלסטיק מותכת, בעצם", אמר טרומנר. ולמרות שאפשר להגדיל את זה, להדפסה על מאדים, הצוות של טרומנר רצה להשתמש בסוג אחר של חומר שנקרא מרסקרט, או בטון מאדים. "אנחנו מערבבים מראש חומר, יוצרים מעין משחה ואז מוציאים אותו" לפני שמאפשרים לו להתרפא או להתקשות, הוא הסביר.

מרסקרט מיוצר על ידי ערבוב של רגוליט מאדים - החומר דמוי האדמה המאובק המכסה את פני כדור הארץ - עם גופרית. בטון גופרית נמצא בשימוש על פני כדור הארץ כבר עשרות שנים והוא חזק ועמיד בפני שחיקה, מה שהופך אותו לאידיאלי לבנייה על מאדים. לאחר שהוא מעורבב, ניתן להניח אותו לצורות כדי ליצור בית גידול.

"עבור יישומי מאדים או חלל, תהיה לך איזושהי זרוע שמזיזה ומפקידה חומר", אמר. על פני כדור הארץ, מנגנונים בסגנון זרוע פחות פופולריים ממנגנונים בסגנון גב להדפסה בקנה מידה גדול מכיוון שהם יכולים להדפיס רק בגודל מוגבל - בעצם, טווח ההגעה של הזרוע. אבל ככל שחומרת ההדפסה מורכבת יותר, כך יותר דברים יכולים להשתבש. יש ערך בשמירה על דברים פשוטים ככל האפשר כאשר בונים על כוכב אחר.

הצוות של טרומנר הציע להשתמש בכלי לחץ מתנפח - בעצם, בלון ענק וחזק - אשר יתמלא באוויר כדי ליצור צורת כיפה, עם מנגנון זרוע המשמש להדפסת מרסקרטיט על גבי זה. כלי הלחץ שומר על אוויר פנימה וקרינה החוצה, והמרסרט הופך את המבנה לחזק ועמיד.

אתגרי הבנייה על מאדים

מאדים אינו מסביר פנים לבני אדם ולבניינים כאחד. בתור התחלה, יש את תנודות הטמפרטורה על הפלנטה, כאשר טמפרטורות סביב קו המשווה נעות בין גבוה של 70 מעלות פרנהייט (21 מעלות צלזיוס) במהלך היום למינוס 100 מעלות פרנהייט (מינוס 73 צלזיוס) בשעה לַיְלָה. זה גורם ללחץ רב על חומרי בניין.

"רצינו לקבל מבנים שיוכלו להתרחב ולהתכווץ ללא תלות זה בזה", אמר טרומנר, כדי לאפשר התרחבות והתכווצות על פני הלילות הקרים מאוד של מאדים והימים החמים יחסית. והמבנים צריכים להיות חזקים מספיק כדי לעמוד בהצטברות אבק מהתדירות של כדור הארץ סופות אבק. "אם יש לך ערימת חול על חצי המבנה שלך, יש לך מצב טעינה לא מאוזן, מה זה יעשה?" הוא הסביר. סופות אבק יכולות גם להשפיע על הבנייה, כלומר יש צורך לאפשר השבתה.

זו הסיבה שהצוות של טרומנר הגה את הרעיון של כיפות. "כיפות הן צורה טובה להתפשטות התרמית וגם להצטברות דיונות החול", אמר, והן מחלקות עומסים בצורה טובה מאוד. לבנאים ניתנת למעשה מעט עזרה גם בגלל כוח המשיכה המופחת על מאדים, "אז אתה צריך פחות אלמנטים מבניים, אתה צריך ציוד קל יותר."

נושא אחד גדול הוא כיצד להגן על אסטרונאוטים בני מאדים מקרינה מסוכנת. "רגולית מאדים לא ממש מצוין בהגנה מפני הקרינה שתחווה על פני השטח", אמר מתיו. לעיצוב הכיפה יהיה בין מטר למטר של חומר בין אנשים בתוך בית הגידול והסביבה החיצונית, אבל זה לא יספיק כדי להגן על האסטרונאוטים בפנים.

הוספת גופרית לרגולית לייצור מרסקרט עוזרת, אבל הצוות הוסיף גם סיבי פוליאתילן לתערובת, מה שיוסיף לאפקט המיגון. עבור מיגון מלא, במבנה המנופח הפנימי יהיה יותר פוליאתילן. ניתן לקניבליז את הפוליאתילן הזה מהבטנה של החללית ללא צוות שתוביל את הגל הראשון של אספקה ​​למאדים.

תפקידה של האדריכלות

עיצוב בית גידול אינו קשור רק לאתגרים הנדסיים. זה גם על יצירת מרחב שבו אנשים יכולים לחיות ולעבוד בנוחות במשך תקופה ארוכה של זמן, פוטנציאלית בעודם תחת לחץ רב או חווים בידוד עמוק.

בית הגידול של צוות זופרוס חולק לשלושה מודולים: מעבדה לפעולות מדעיות, יחידה קהילתית וצוות יחידה לצרכים כמו תברואה וחדרי שינה, עם אפשרות שניתן להוסיף עוד יחידות לפי משימה צרכי.

הם רצו שהמרחב יתמוך הן בצרכים המעשיים והן בצרכים הפסיכולוגיים של האסטרונאוטים השוהים בו, מה שבא לידי ביטוי באופן שבו תכננו את היחידה הקהילתית. "באמת כיוונו את החלל הזה סביב פתח גדול במפלס העליון", אמר. חלון גדול מאפשר לאסטרונאוטים להביט החוצה אל פני השטח של מאדים תוך שמירה בטוחה ונוחה בפנים. "רצינו למקסם את יכולתם של האסטרונאוטים לראות את הסביבה שלהם ולהתחבר אליה".

זה חשוב להשלמת משימות כמו, למשל, שימוש בזרוע מכנית כדי להזיז דברים בחוץ. אבל יש גם יתרון פסיכולוגי משמעותי. "אם אתה מכורבל בערך אלף רגל מרובע של שטח במשך שנה על כוכב שרוצה להרוג אותך בכל מקום חוץ מהמקום בו אתה גר, ההרגשה שאתה לא בפחית היא ממש מועילה", אמר.

הצוות גם הוסיף את הגן ההידרופוני לחלל הזה גם כדי שצמחים יוכלו לקבל אור וגם כדי אסטרונאוטים שהולכים למטה יהנו מההפסקה הפסיכולוגית של הרגשה כאילו הם הולכים דרך א חלל מיוער. עבור ליין, איזון צומת זה של צרכים מעשיים ופסיכולוגיים הוא תפקיד מפתח של אדריכל. "אדריכלים מממשים בין הצרכים של בני האדם לבין הסביבה הפיזית", אמר. "הסביבה הפיזית שמישהו נמצא בה משפיעה עליו פסיכולוגית וגם תפעולית".

הדרך שבה הוא חשב על זה לא הייתה במונחים של צורכי שליחות נפרדים וצרכים פסיכולוגיים. במקום זאת, הוא רואה את אלה כמקושרים זה לזה. "הצרכים הפסיכולוגיים האלה הם למעשה צרכים מעשיים כשאתה מתמודד עם אדם", אמר. "מכיוון שהפסיכולוגיה של האסטרונאוטים שלך משפיעה ישירות על הביצועים שלהם במשימה."

תכנון לטובת אסטרונאוטים מבחינה פסיכולוגית אינו עוסק בהפיכת בניין לאטרקטיבי לשם כך, אלא במציאת הפתרון הטוב ביותר לבעיית עיצוב. הוא הצביע על האלגנטיות והיופי בהיבטים רבים של הנדסת חלל. "יש באמת משהו יפה בעיצוב שמתאים היטב לבעיה", אמר, בדומה ליופי הטבוע בצורות אורגניות רבות. "בעקבות האילוצים הפרגמטיים של בעיית התכנון, תוך התחשבות בבריאות הדייר וב בריאות ופסיכולוגיה מביאות למשהו שכנראה הולך להיות עיצוב אסתטי יותר".

"אתה יכול ללכת רחוק מדי לעשות משהו יפה," אמר. "אבל לגרום לזה לעבוד טוב עבור האדם שעומד להתגורר בו, עבורי, הוא שיקול מעשי מאוד."

יורדים למחתרת

שני המומחים הסכימו כי לעתיד עיצוב בתי הגידול של מאדים יש הרבה אפשרויות, כולל פוטנציאל לנוע מתחת לפני השטח. לבניית בסיס תת קרקעי יש יתרונות רבים, כמו שמירה על אנשים מפני קרינה וסופות אבק. אבל יש לזה גם אתגרים.

כשזה מגיע לבנייה תת-קרקעית, "עדיין יש כל כך הרבה אלמונים", אמר טרומנר. יש הרבה שאנחנו לא יודעים על הרכב תת-הקרקע של מאדים וכיצד לבנות בסביבה זו. "לפחות בשלב הראשון, אם אנחנו מדברים על העתיד הקרוב, משהו על פני השטח הגיוני יותר כי אין את אותן רמות של לא ידועים כפי שיהיו כשמתחפרים למטה."

עם זאת, ברגע שהיינו על מאדים זמן מה, זה עשוי להשתנות. "לטווח ארוך, אחרי שיצרת כמה מבנים ראשוניים ראשונים, היו לך יותר רוברים על פני השטח, אולי היו לך אסטרונאוטים על פני השטח, אז אולי בסיס תת קרקעי הוא הדרך ללכת בעתיד", אמר.

ליין הסכים. הוא חשב שהמשימה הראשונה למאדים עשויה להיות כרוכה באנשים השוהים ב"דברים על פני השטח שהגיעו בעיקר מכדור הארץ", כמו משימות אפולו לירח. אבל עבור יותר אנשים השוהים לפרקי זמן ארוכים יותר, אתה צריך תשתית קבועה יותר. "בשלב זה, אתה מתחיל לרדת למחתרת או להדפיס בתלת-ממד את בתי הגידול שלך", אמר.

בסופו של דבר, ליין ראה בעיני רוחו מגוון רחב של בתי גידול שתוכננו ונבנו על ידי סוכנויות חלל או חברות שונות. "אנחנו הולכים לראות יותר מגוון בבתי הגידול שלנו שאנחנו יוצרים, כי הצרכים שלנו יהיו מגוונים יותר, ונצטרך להתאים להיקף גדול יותר", אמר. מהמגוון הזה, נלמד יותר מהי הדרך הטובה ביותר לחיות על כוכב אחר, מה שיעזור לנו לבנות בתי גידול טובים עוד יותר בעתיד. "זה משהו שאני מאוד מתרגש ממנו, בעשורים הבאים של בני אדם שיצאו אל הירח ומאדים."

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים, סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים.

המלצות עורכים

• תקשורת קוסמית: איך בני האדם הראשונים על מאדים יתקשרו עם כדור הארץ
• אסטרופסיכולוגיה: איך להישאר שפוי על מאדים
• אטמוספרות מלאכותיות: איך נבנה בסיס עם אוויר לנשימה על מאדים
• אסטרו חקלאות: איך נצמיח יבולים על מאדים
• אבק מאדים הוא בעיה גדולה עבור אסטרונאוטים. הנה איך נאס"א נלחמת בזה